数控加工进给速度调节及程序控制方法

数控加工进给速度调节及程序控制方法

龚东军;范有雄;王文江

【摘要】中高档数控装置控制面板常配置有速度倍率修调旋钮,用于在数控机床加工过程中适当调节进给速度,以兼顾较高的数控零件加工的效率和质量.文中解析了数控机床进给速度调节及其控制方法,介绍了华中数控中高档数控装置配置的进给速度倍率修调模块硬件及软件实现方法.

【期刊名称】《机械工程师》

【年(卷),期】2017(000)008

【总页数】3页(P89-91)

【关键词】数控加工;进给速度;进给倍率;插补运算;程序控制

【作者】龚东军;范有雄;王文江

【作者单位】武汉软件工程职业学院,武汉430205;武汉软件工程职业学院,武汉430205;武汉华中数控股份有限公司,武汉 430223

【正文语种】中文

【中图分类】TP202.7

在数控机床零件加工过程中，进给速度Vf是指刀具与工件之间沿切削进给方向的相对运动速度,即待加工面不断投入到切削的速度。进给速度的大小与机床克服的切削力大小直接相关，对进给速度的控制不仅影响到加工零件表面粗糙度和精度，还与刀具和机床的使用寿命及生产效率密切相关。对于不同材质零件的切削加工，应结合加工机床的技术参数及零件粗糙度和精度的要求，数控机床需要有较宽的进

给速度调整范围供合理的选择，以满足加工工艺的要求。数控加工进给切削速度值用F代码值设定及机床操作面板的进给倍率开关来调节，从而确定实际加工中的

进给速度值，数控系统根据确定的速度值，完成位置控制插补计算，并输出与速度相应的脉冲频率源以驱动伺服控制装置。

根据数控机床ISO代码指令标准规定，加工程序中进给速度的设定有两种指令方式，即G94、G95。G94指令指定刀具每分钟的进给量（单位为mm/min）；

G95指令指定数控机床主轴每转一周刀具的进给量（单位为mm/r）。如数控加

工程序段G94G01X10Y20F100，程序中编制刀具的进给速度为100 mm/min；

数控加工程序段G95G01X10Z5F0.3，程序中编制刀具的进给速度为0.3 mm/r。数控加工过程中，根据切削加工工艺过程及加工质量反馈，实际进给速度通过机床操作面板的进给倍率开关进行调节。因此，进给轴实际的进给速度，是数控系统按倍率开关对应的倍率值与数控加工程序中设定的F值经过程序换算得出的。

CNC系统对进给速度的调节，根据PLC程序扫描倍率转换开关的状态位置，并经过PLC程序编码指令运算得到倍率值，此倍率值与F值乘积运算的结果被传送到

插补运算控制器，进行插补运算，从而控制进给轴的实际运行速度。数控系统通过插补运算控制各坐标轴运动时，还通过插补运算预处理程序自动对机床的进给运动速度进行加减速控制，以保证机床在启停过程中不产生冲击、失步、超程或振荡等。在保证加工质量的前提下选择最大安全进给速度，以充分利用数控机床的潜能，提高生产效率，是高速高精加工中进给速度优化和伺服调整的主要目的。

对于开环、闭环和半闭环等不同类型的机床数控系统，进给速度的控制方法各有不同。在开环数控系统中，机床坐标轴的运行速度通过调节发送到步进电动机驱动器的脉冲频率来实现，其速度计算方法是根据编程的F值与脉冲频率成正比关系确定。在闭环和半闭环系统中，进给速度的计算采用时间分割思想，根据编程进给速度F值，计算出轮廓曲线在一个插补周期的进给量—轮廓步长(ΔL)，以及各坐标轴

的步长分量，之后再进行精插补速度控制。闭环和半闭环数控系统插补周期越短，加工精度越高。开环与闭环的进给速度控制计算方法略有不同。

2.1 开环驱动系统进给速度的控制方法

开环数控系统多采用脉冲增量插补算法进行插补运算，其驱动系统一般选用步进电动机作为驱动元件，数控装置每输出一个脉冲，步进电动机就转过一定的角度，从而驱动机床坐标轴进给一定的距离—脉冲当量δ。根据编程指令给定的进给速度，根据插补运算结果向各个坐标轴驱动器分配脉冲，即可控制机床各坐标轴的协调运动，相应脉冲的频率确定了机床坐标轴进给速度。

具体地，进给指令速度F（mm/min）与进给脉冲频率f的关系式如下：

式中，δ为脉冲当量。

根据编程进给速度值F，可确定脉冲源发送频率f，使得机床坐标轴按要求的速度进给。

对于开环伺服驱动系统，各个进给轴分配的进给脉冲由脉冲增量插补运算结果直接确定。按照确定的脉冲增量插补算法，调节不同的插补运算周期，亦可实现对进给速度的调节。

2.2 闭环和半闭环数控系统进给速度控制方法

在闭环和半闭环数控系统中，通常采用数据采样插补法(又称“时间分割插补法”)进行插补运算。通过时间分割插补法，将待加工轮廓曲线分割成按插补周期对应的轮廓步长，通过调节对应插补周期时间段内数控机床各坐标方向上的进给增量值，即可实现进给速度的控制。

具体地，根据编程指令速度F值（mm/min）和插补周期T（ms），根据公式

ΔL=FT/60，可计算出每个插补周期的轮廓步长ΔL（μm），即一定时间（插补周期）内的多轴联动的合成进给量ΔL。并由系统计算出下一个插补点的坐标轴运动增量值，例如Δx、Δy、Δz，从而可得出轮廓速度在各个坐标方向的分速度。

数据采样插补一般分为粗、精插补两步完成。第一步是粗插补，在给定曲线的起点、终点之间插入若干个中间点，将曲线分割成若干个微小直线段，即用若干条微小直线段来逼近轮廓曲线。第二步是精插补，对分割的微小直线段进一步进行数据点的密化工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。

补充说明，数据采样插补在直线轮廓时，相当于把给定直线分成许多段小线段，时间分割插补阶段理论上无轨迹偏差。在圆弧曲线轮廓时，通常用一段弦线来逼近圆弧曲线，这种近似逼近的方法理论上存在一定的小线段轨迹误差，插补周期越短误差越小，进给速度越小误差也越小。

3.1 脉冲增量插补的进给速度程序控制

进给速度控制方法和所采用的插补算法密切相关。在开环数控系统中，脉冲增量插补的输出形式是脉冲，其输出脉冲频率与进给速度成正比。因此，可以通过控制插补运算的频率来控制进给速度，典型的程序控制方法常采用定时中断服务程序来实现。

根据数控加工程序中指令给定进给速度值F，按公式f=F/60δ可以求出对应的进

给脉冲频率值，根据T=1/f可计算出两次插补运算后输出脉冲之间的时间间隔T，其值应大于CPU执行单次插补运算程序的时间T插补，根据系统内部时钟频率和事件间隔T值，进而换算出系统内部定时器（TIMER）的定时参数，使得系统CPU按定时器设定的时间T，进行定时中断插补运算服务程序。定期器每发出一

次中断申请信号，CPU执行一次中断服务程序，并在中断服务程序中完成一次插

补运算并发出进给脉冲。若根据需要调整定时器时间参数，即可调整控制进给速度。采用定时中断程序控制的方法，使得数控装置的CPU可在两次插补运算的时间间隔内处理其他实时性要求不高的事项，如程序输入、译码、显示等。输出进给脉冲频率由定时器定时常数决定。时间常数的大小决定了插补运算的频率，也决定了进给脉冲的输出频率。该方法控制进给速度比较精确，控制速度不会因为不同CPU